科学者たちは、一般的に使用されているキセノンではなく、ヨウ素推進剤を使用したプラズマエンジンを初めて開発することで、小型衛星のブームを支えようとしている。
ウクライナ人の共同設立者兼最高技術責任者（CTO）ドミトロ・ラファルスキー氏による査読済み研究によると、中国の宇宙企業スペースティが昨年11月に打ち上げたフランス企業スラストミーが開発した推進システムは、キセノン推進に代わるより安価で拡張性の高い代替手段となることを目指している。
NASAの宇宙船ドーンもイオン推進で宇宙を航行します。イオン推進では、エンジンから噴射されたイオンが加速され、宇宙船に推進力を与えます。この図では、キセノン推進剤が使用されています（キセノンイオンは青色に輝き、ヨウ素イオンは紫色に輝く傾向があります）。画像：NASA/JPL-Caltech
大まかに言えば、プラズマエンジンは電界を利用して荷電ガスの粒子を加速し、それによって機体を推進します。燃料は電源（衛星の場合は太陽光）ですが、推進ガスも必要です。軌道上の衛星の周回軌道を移動するプラズマ宇宙エンジンでは、キセノンが事実上の推進剤となっていますが、最近ではイーロン・マスクのSpaceXがクリプトンを採用しています。
NPT30-I2ヨウ素電気推進システムの概略図
固体ヨウ素（濃い緑色の領域）は、プラズマ源管（青色の領域）の上流にある貯蔵タンク内にあります。加熱によって昇華が起こり、低圧ガス（薄い緑色の領域）がプラズマ源管（緑色の矢印）に入ります。RFアンテナによってプラズマ（紫色の領域）が生成され、ヨウ素イオン（I +、I 2 +、I 2 +）が一連のグリッドによって加速されます。カソードから電子（e −）が放出され、イオンビームを中和します。廃熱はヨウ素タンクと構造フレームに向かって伝導されるか（青色の実線矢印）、放射されます（青色の破線矢印）。画像：Rafalskyi et al
問題は、キセノンが高価であり、衛星に搭載するには高圧タンクで圧縮する必要があることだと、今週ネイチャー誌に掲載された論文「軌道上におけるヨウ素電気推進システムの実証」の付随記事は述べている。「クリプトンはより安価だが、それでも複雑で重いガス貯蔵・供給システムが必要だ」と記事は述べている。
小型衛星は質量が約100kg未満で、人気が高まっています。宇宙に打ち上げられた衛星の数は、2011年の39基から2019年には389基へと着実に増加し、2020年には1,202基に急増しました。
ラファルスキー氏はThe Registerに対し、この規模の衛星にはキセノンは使えないと説明した。
「キセノンは最も重い希ガスですが、放射性はありません。そのためキセノンはゲームに登場しましたが、使用開始当初はミッションコストが非常に高額でした。そのため、キセノンのコスト自体は問題ありませんでした。しかし、現在では技術を小型化することができず、コストは途方もない額になっています」と彼は述べた。
問題は原材料費だけではありません。キセノンは、1平方センチメートルあたり数百キログラムの圧力に耐えられる高圧タンクで取り扱う必要があります。衛星を発射場に運ぶ前にキセノンを充填することは禁止されており、ラファルスキー氏は「爆弾を輸送するようなものだ」と述べ、そのため宇宙船にキセノンを充填するには特殊な装置と資格を持ったエンジニアが必要となり、これもコストを押し上げています。
宇宙技術者たちは、打ち上げロケットから放出された後、小型宇宙船を操縦できるようにするためには代替手段を必要としていた。
ヨウ素は1970年代から候補物質として提案されていました。室温では固体ですが、容易に昇華して気体になるため、キセノンよりも輸送と保管がはるかに容易です。
しかし、プラズマガスとしての基本的な特性についてはほとんど知られていないとラファルスキー氏は述べた。
医療分野以外では、ヨウ素は基本的な特性以上の理解を必要とする用途にはあまり使用されていませんでした。そこで、プラズマ物理学の博士号を持つラファルスキー氏と彼のチームは、実験に基づいた特性データベースの構築に着手しました。
ヨウ素はハロゲンであり、化学的に非常に活性です。本格的なエンジニアリングに導入する前に、その腐食特性を詳細に理解する必要がありました。「例えば、ヨウ素はステンレス鋼に対して腐食性がありますが、その腐食速度を高精度に測定することはできません。そのため、材料とヨウ素による腐食速度に関する独自のデータベースを作成する必要があり、そのためには多くの試験と測定が必要でした」と彼は言います。
研究チームは、このガスからの電子放出効率を初めて測定した。「少し複雑に聞こえるかもしれませんが、エンジンを開発するなら知っておくべき特性の一つです」とラファルスキー氏は述べた。
チームは、2,000時間も稼働するエンジンにおいて、ヨウ素の腐食性をどのように管理するかといった技術的な課題にも取り組まなければなりませんでした。また、ヨウ素は昇華するのと同じくらい容易に凝縮するため、エンジンが「詰まり」やすくなるという問題もあります。
ラファルスキー氏は、物理的データの収集と技術的課題の解決には合わせて約7年かかり、その間、このミッションは彼の「個人的な目標」だったと語った。
ThrustMeエンジンでは、固体ヨウ素がタンクに貯蔵され、そこで昇華してガス化します。そこからプラズマチャンバーに送り込まれ、イオンと自由電子に分解されます。イオンはチャンバー外側のアンテナが生成する磁場によって加速され、エンジン後方から排出されます。しかし、排出時にイオンは中和される必要があります。さもないと、数マイクロ秒後に再びエンジン内に吸い込まれてしまいます。
既存のプラズマエンジンでは、スラスターと同じ推進剤を用いてこれを実現している。しかし、これらの装置はどれもヨウ素と互換性がなかったとラファルスキー氏は述べた。
「それは本当に大きな挑戦でした。当時はほぼ不可能に思えました。コンセプトを完全に変え、時代を遡ってフィラメント中和器という古い技術を使う必要がありました。ヨウ素を使えば確かに機能するのですが、位置合わせと調整が非常に難しかったのです」と彼は語った。
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査読済み論文に関する論評で、シンガポールの南洋理工大学プラズマ源応用センターのイゴール・レフチェンコ氏とオーストラリア国立大学工学・コンピュータサイエンス学部のカテリーナ・バザカ氏は、このプロジェクトは宇宙で作動するヨウ素イオン推進装置の実証に成功し、「キセノンやクリプトンよりも安価でシンプルな代替手段を提供する」と述べた。
論文によれば、
しかし、顧客は昨年長征6号ロケットで打ち上げられたNPT30-I2北航衛星1号の試験結果の公表を待たなかった。
「当社はすでに1回の商用飛行を実施しており、さらに今年は世界中の顧客に10以上のシステムを納入した」とラファルスキー氏は述べた。
ThrustMe チームは現在、商用生産ラインへのアップグレードに取り組んでおり、来年半ばまでに年間 100 システムを生産し、少しでも操縦性があればメリットとなる小型衛星の需要の急増に対応したいと考えています。®
